太陽系の形成と進化

星雲仮説によれば、太陽系は、おそらくウォルフ・ライエ・バブルの端にある巨大分子雲の断片の重力崩壊によって形成された。^{[ 10 ]}しかし、雲の内部圧力が雲を維持しているため、直接的な崩壊ではなかった。代わりに、崩壊は若い星の双極性流出や超新星爆発などの内部または外部の力によって引き起こされたに違いない。^{[ 11 ]}雲の大きさは約20パーセク（pc）、つまり約65光年（ly）であったが、^{[ 11 ]}この雲の断片の大きさは約1 pc（~3.26 ly）であった。^{[ 12 ]}断片のさらなる崩壊により、0.01～0.1パーセク（2,000～20,000 AU ）の大きさの高密度コアが形成された。^{[ a ] [ 11 ] [ 13 ]}これらの崩壊した断片の 1 つ (太陽系前星雲として知られる) が、後に太陽系となるものを形成しました。^{[ 14 ]}太陽 ( M _☉ )をわずかに上回る質量を持つこの領域の組成は、今日の太陽とほぼ同じで、水素、ヘリウム、ビッグバン核合成によって生成された微量のリチウムがその質量の約 98% を占めていました。残りの 2% の質量は、それ以前の世代の星で核合成によって生成されたより重い元素で構成されていました。 ^{[ 15 ]}これらの星の寿命の後半に、それらはより重い元素を星間物質に放出しました。^{[ 16 ]}一部の科学者は、超新星爆発を起こして太陽系前星雲を作った仮説上の星にコアトリクエという名前を付けました。      

統計に基づくと、太陽は数十個から数千個の星からなる星団の中で、他の多くの星と共に誕生した可能性が最も高い。太陽が誕生した可能性のある星団には、リッチ星団とプア星団の2種類がある。オリオン星雲のようなリッチ星団には、紫外線やX線を放出する高温で質量の大きな星が多数存在する。プア星団は分子雲の奥深くに埋もれており、近くに質量の大きな星は存在しない。太陽がリッチ星団で誕生した場合、星団の外縁部に位置していない限り、その円盤はわずか約50 AUにまで縮小される。しかし、太陽系には準惑星セドナのような遠方の天体が存在するため、このシナリオは考えにくい。^{[ 11 ]}

隕石で発見された最も古い包有物は、太陽系形成前の星雲で最初に形成された固体物質の痕跡と考えられており、45億6820 万年前のもので、これは太陽系の年齢の定義の一つである。^{[ 1 ]}古代の隕石の研究により、鉄60などの短寿命同位体の安定した娘核の痕跡が明らかになった。これは、爆発する短寿命の星でのみ形成される。これは、近くで1つ以上の超新星爆発が発生したことを示している。超新星爆発からの衝撃波が、雲の中に比較的密度の高い領域を作り出し、これらの領域を崩壊させることで、太陽の形成を引き起こした可能性がある。^{[ 17 ] [ 18 ]}太陽系における鉄60の非常に均質な分布は、この超新星爆発の発生と鉄60の注入が、星雲塵が惑星に集積するずっと前に起こったことを示している。^{[ 19 ]}超新星は質量が大きく寿命の短い星だけが生成するため、太陽はオリオン星雲に似た、質量が大きい星を生成する大きな星形成領域で形成されたに違いない。^{[ 20 ] [ 21 ]}カイパーベルトの構造と内部の異常な物質の研究によると、太陽は直径が 6.5 ～ 19.5 ly、総質量が3,000 M _☉ の 1,000 ～ 10,000 個の星の集団内で形成された。この集団は形成後 135 百万年～ 535 百万年の間に崩壊し始めた。^{[ 22 ] [ 23 ]}若い太陽が最初の 1 億年にわたって近くを通過する星と相互作用するいくつかのシミュレーションでは、分離した天体など、太陽系の外縁部で観測される異常な軌道が生成された。^{[ 24 ]}最近の研究では、このような通過する恒星が分離した天体の軌道だけでなく、高温および低温のカイパーベルト天体群、セドナのような天体、極端なTNO、逆行TNOの原因にもなっていることが示唆されている。^{[ 25 ]}  

角運動量保存の法則により、星雲は収縮するにつれて回転速度が速くなった。星雲内の物質が凝縮するにつれて温度が上昇した。質量の大部分が集まった中心部は、周囲の円盤よりもますます高温になった。^{[ 12 ]}約10万年かけて、^{[ 11 ]}重力、ガス圧、磁場、回転の競合する力により、収縮する星雲は直径約200 AUの回転する原始惑星系円盤に平坦化し、 ^{[ 12 ]}中心部に高温高密度の原始星（水素核融合がまだ始まっていない星）が形成された。^{[ 26 ]}既知の恒星の約半分が多重星系を形成していること、そして木星が太陽と同じ元素（水素とヘリウム）でできていることから、太陽系は形成初期には原始星系であり、木星は2番目に形成されたものの失敗した原始星であった可能性が示唆されているが、木星は核で核融合を引き起こすには質量が小さすぎるため、ガス惑星となった。実際、木星は太陽よりも若く、太陽系で最も古い惑星である。^{[ 27 ] [ 28 ]} 

太陽の進化のこの段階では、太陽はTタウリ星であったと考えられています。^{[ 29 ]} Tタウリ星の研究によると、これらの星にはしばしば0.001～0.1_太陽質量の原始惑星物質の円盤が伴っていることがわかっています。^{[ 30 ]}これらの円盤は数百AUにまで広がり、ハッブル宇宙望遠鏡はオリオン星雲などの星形成領域で直径1000AUまでの原始惑星系円盤を観測しています^{[ 31 ]}。また、表面温度は最も高温でも約1000K （730 ℃、1340 °F）程度とかなり低温です。^{[ 32 ]} 5000万年以内に、太陽の中心部の温度と圧力が非常に高くなり、水素が核融合し始め、静水圧平衡が達成されるまで重力収縮に対抗する内部エネルギー源が作られました。^{[ 33 ]}これは太陽が主系列星と呼ばれる生涯の主要段階に入ったことを示しています。主系列星は中心部で水素がヘリウムに核融合することでエネルギーを得ます。太陽は今日でも主系列星です。^{[ 34 ]}       

初期の太陽系が進化を続けるにつれて、やがて星形成領域の兄弟星から離れていき、天の川銀河の中心を単独で周回し続けました。太陽はおそらく銀河の中心から元の軌道距離からずれていったと考えられます。太陽の化学的な歴史は、太陽が 銀河の中心から最大3キロパーセクほど近い場所で形成された可能性を示唆しています。^{[ 35 ]}

ほとんどの恒星と同様に、太陽も孤立して形成されたのではなく、若い星団の一部として形成された可能性が高い。^{[ 36 ]}星団の環境が、まだ形成途中の若い太陽系に何らかの影響を与えたことを示唆する兆候がいくつかある。たとえば、海王星より外側での質量の減少やセドナの極端な偏心軌道は、太陽系が誕生時の環境の影響を受けたことの兆候として解釈されている。鉄60とアルミニウム26の同位体の存在が、大質量星を含む誕生星団の兆候として解釈できるかどうかは、まだ議論中である。太陽が星団の一部であった場合、他の恒星の接近通過、近くの大質量星からの強い放射、近くで発生した超新星爆発からの噴出物の影響を受けた可能性がある。

太陽が属していた星団の種類も重要であり、太陽は二つの極端な星団、すなわち星の多い星団と星の少ない星団のいずれかで生まれた可能性がある。オリオン星雲に見られるような星の多い星団では、周囲は高温で質量のある星で満ちており、大量の紫外線とX線放射を放出している。この放射の影響で、太陽のような小さな星の周りの円盤が切り詰められる。太陽がこのような星団のいずれかに存在していたとすれば、その円盤はわずか約50 AUにまで切り詰められていただろう。切り詰めの影響から逃れる唯一の方法は、太陽が星団の外縁部に位置していた場合である。へびつかい座星団に見られるような星の少ない星団では、太陽は分子雲の奥深くに埋め込まれており、質量のある星は存在しない。ここでは、円盤は大きなサイズを維持することができる。太陽が星の多い星団で生まれていない証拠としては、セドナのような遠方に位置する準惑星の存在が挙げられる。^{[ 11 ]}

様々な惑星は、太陽の形成時に残った円盤状のガスと塵の雲である太陽星雲から形成されたと考えられている。^{[ 37 ]}現在受け入れられている惑星形成の方法は集積説であり、惑星は中心の原始星の周りを公転する塵の粒として始まった。直接接触と自己組織化によって、これらの塵の粒は直径最大200m（660フィート）の塊に形成され、それが衝突して直径約10km（6.2マイル）のより大きな天体（微惑星）を形成した。これらはさらなる衝突によって徐々に大きくなり、次の数百万年の間に年間数センチメートルの割合で成長した。^{[ 38 ]}    

太陽系の内側、つまり太陽系の4天文単位より内側の領域は、水やメタンなどの揮発性 分子が凝縮するには温度が高すぎたため、そこで形成された微惑星は、金属（鉄、ニッケル、アルミニウムなど）や岩石質のケイ酸塩など、融点の高い化合物からしか形成されませんでした。これらの岩石質の天体は、地球型惑星（水星、金星、地球、火星）になります。これらの化合物は宇宙では非常にまれで、星雲の質量のわずか0.6%を占めるにすぎないため、地球型惑星はそれほど大きく成長できませんでした。^{[ 12 ]}地球型原始天体は、太陽の形成から約10万年後に約0.05地球質量（M _🜨 ）まで成長し、物質の蓄積を停止しました。その後、これらの惑星サイズの天体間の衝突と合体により、地球型惑星は現在の大きさに成長しました。^{[ 39 ]} 

地球型惑星が形成されるとき、それらはガスと塵の円盤の中に浸かったままでした。圧力によってガスが部分的に支えられていたため、惑星ほど速く太陽の周りを公転しませんでした。その結果生じる抵抗と、より重要なことに、周囲の物質との重力相互作用によって角運動量が伝達され、その結果、惑星は徐々に新しい軌道へと移動しました。モデルによると、円盤内の密度と温度の変化がこの移動速度を支配していましたが、^{[ 40 ] [ 41 ]}全体的な傾向としては、円盤が消散するにつれて内側の惑星が内側へ移動し、惑星は現在の軌道に残りました。^{[ 42 ]}

巨大惑星（木星、土星、天王星、海王星）は、火星と木星の軌道の間の、揮発性の氷状化合物が固体のままでいられるほど物質が冷えている地点である霜線よりもさらに外側で形成されました。木星型惑星を形成した氷は、地球型惑星を形成した金属やケイ酸塩よりも豊富であったため、巨大惑星は最も軽くて最も豊富な元素である水素とヘリウムを捕らえるのに十分な質量に成長しました。^{[ 12 ]}霜線の外側の微惑星は、約300万年以内に最大4太陽_{質量まで蓄積されました。} ^{[ 39 ]}現在、4つの巨大惑星は、太陽を周回する全質量の99%弱を占めています。^{[ b ]}理論家は、木星が霜線のすぐ外側にあるのは偶然ではないと考えています。霜線は、落下する氷状物質からの蒸発によって大量の水を蓄積したため、低圧領域を作り出し、周回する塵粒子の速度を速め、太陽に向かう動きを止めた。事実上、霜線は障壁として機能し、物質が太陽から約 5 AU の地点で急速に蓄積された。この余剰物質は、10 M_オーダーの大きな胚 (または核) に合体し、周囲の円盤からのガスの集積によって外層がますます増加しながら蓄積され始めた。^{[ 43 ] [ 44 ]}外層の質量が固体核の質量とほぼ等しくなると、成長は非常に急速に進み、約10 ⁵年後に地球の約 150 倍に達し、最終的に318 Mで_ピークに達した。^{[ 45 ]}土星の質量が著しく低いのは、単に木星より数百万年後に形成されたため、消費できるガスが少なかったためかもしれない。^{[ 39 ] [ 46 ]}       

若い太陽のようなTタウリ星は、より安定した古い星よりもはるかに強い恒星風を持っています。天王星と海王星は、木星と土星が形成された後に、強い太陽風が円盤物質の大部分を吹き飛ばした後に形成されたと考えられています。その結果、これらの惑星は水素とヘリウムをほとんど蓄積せず、それぞれ1太陽質量_以下でした。天王星と海王星は、失敗した核と呼ばれることもあります。^{[ 47 ]}これらの惑星の形成理論の主な問題は、その形成の時間スケールです。現在の位置では、核が集積するのに数百万年かかったでしょう。^{[ 46 ]}これは、天王星と海王星が太陽に近い場所、つまり木星と土星の近く、あるいはその間でさえ形成され、後に外側に移動または放出された可能性があることを意味します（下記の惑星の移動を参照）。^{[ 47 ] [ 3 ]}微惑星時代の運動はすべて太陽に向かって内側に向かっていたわけではありません。ワイルド2彗星からのスターダストサンプルリターンは、太陽系の初期形成時の物質が、より暖かい太陽系内側からカイパーベルト領域に移動したことを示唆している。^{[ 48 ]} 

300万年から1000万年後、^{[ 39 ]}若い太陽の太陽風が原始惑星系円盤内のガスと塵をすべて吹き飛ばし、星間空間に放出し、惑星の成長を終わらせた。^{[ 49 ] [ 50 ]}

惑星形成期の終わりに、太陽系内側には月～火星サイズの原始惑星が50～100個存在していた。^{[ 52 ] [ 53 ]}これらの天体が衝突して合体したため、さらに成長することが可能になった。この合体には1億年もかからなかった 。これらの天体は重力によって互いに相互作用し、軌道を引っ張り合って衝突し、大きくなって、今日知られている4つの地球型惑星が形成された。^{[ 39 ]}このような巨大衝突の1つが月を形成したと考えられており（下記の「月」を参照）、もう1つは若い水星の外層を取り除いた。^{[ 54 ]}

このモデルで未解決の問題の 1 つは、衝突するために非常に偏心している必要があった原始地球型惑星の初期軌道が、今日のような驚くほど安定したほぼ円形の軌道をどのようにして生み出したかを説明できないことです。^{[ 52 ]}この「偏心率の減少」に関する仮説の 1 つは、地球型惑星が太陽からまだ放出されていないガスの円盤内で形成されたというものです。この残留ガスの「重力抵抗」によって、最終的に惑星のエネルギーが低下し、軌道が滑らかになったと考えられます。 ^{[ 53 ]}しかし、そのようなガスが存在したとしても、地球型惑星の軌道がそもそもそれほど偏心するのを防いだはずです。^{[ 39 ]}別の仮説は、重力抵抗が惑星と残留ガスの間ではなく、惑星と残りの小天体の間で発生したというものです。大きな天体が小さな天体の群れの中を移動すると、大きな惑星の重力に引き寄せられた小さな天体は、大きな天体の進路に高密度の領域、すなわち「重力航跡」を形成した。その際、航跡の重力が増大したことで、大きな天体は減速し、より規則的な軌道になった。^{[ 55 ]}

地球領域の外縁部、 太陽から 2 ～ 4 AU の間の領域は、小惑星帯と呼ばれています。小惑星帯には当初、地球型惑星を 2 ～ 3 個形成するのに十分すぎるほどの物質が含まれており、実際、多数の微惑星がそこで形成されました。地球型惑星と同様に、この領域の微惑星は後に合体して、月から火星サイズの惑星胚を20 ～ 30 個形成しました。^{[ 56 ]}しかし、木星が近接していたため、 太陽の誕生から 300 万年後に木星が形成された後、この領域の歴史は劇的に変化しました。^{[ 52 ]}小惑星帯では木星と土星との軌道共鳴が特に強く、より質量の大きい惑星胚との重力相互作用により、多くの微惑星がこれらの共鳴領域に散らばりました。木星の重力はこれらの共鳴領域内の天体の速度を増加させ、他の天体との衝突時に集積するのではなく、粉砕する原因となりました。^{[ 57 ]}

木星が形成後に内側へ移動するにつれて（下記の「惑星の移動」を参照）、共鳴が小惑星帯を駆け巡り、その領域の小惑星群を動的に励起し、互いの相対速度を増加させた。^{[ 58 ]}共鳴と胚の累積的な作用により、微惑星は小惑星帯から散逸するか、軌道傾斜角と離心率が励起された。^{[ 56 ] [ 59 ]}これらの巨大な胚の一部も木星によって放出されたが、他のものは太陽系の内側へ移動し、地球型惑星の最終的な集積に役割を果たした可能性がある。^{[ 56 ] [ 60 ] [ 61 ]}この初期枯渇期間中、巨大惑星と惑星胚の影響により、小惑星帯の総質量は地球の1%未満となり、主に小さな微惑星で構成されている。^{[ 59 ]}これは、現在約0.0005 Mで_ある メインベルトの現在の質量の 10 ～ 20 倍です。^{[ 62 ]}木星と土星が一時的に 2:1 の軌道共鳴に入ったときに、小惑星帯が現在の質量に近くなる二次的な減少期が続いたと考えられています (下記参照)。 

太陽系内側の巨大衝突期は、地球が現在の水量（約6 × 10⁶）を獲得する上で役割を果たした可能性が高い。²¹  kg）は初期の小惑星帯からもたらされた。水は揮発性が高すぎるため、地球の形成時には存在していなかったはずであり、その後、太陽系の外側のより低温の部分から運ばれてきたに違いない。 ^{[ 63 ]}水はおそらく、木星によって小惑星帯から弾き出された惑星胚や小さな微惑星によってもたらされた。 ^{[ 60 ]} 2006年に発見された小惑星帯の彗星群も、地球の水の可能性のある供給源として提案されている。 ^{[ 63 ] [ 64 ]}対照的に、カイパーベルトやそれより遠い領域からの彗星は、地球の水の約6%を超えることはなかった。 ^{[ 2 ] [ 65 ]}パンスペルミア仮説は、生命自体がこのようにして地球に運ばれてきた可能性があると主張しているが、この考えは広く受け入れられていない。 ^{[ 66 ]}

星雲説によれば、外側の2つの惑星は「間違った場所」にある可能性がある。天王星と海王星（「氷の巨人」として知られる）は、太陽星雲の密度が低く、公転周期が長いため、そこで形成された可能性が非常に低い領域に存在する。^{[ 67 ]}代わりに、この2つの惑星は、より多くの物質が利用可能な木星と土星（「ガスの巨人」として知られる）の近くの軌道で形成され、数億年かけて現在の位置まで外側に移動してきたと考えられている。 ^{[ 47 ]}

外惑星の移動は、太陽系の最外縁部の存在と特性を説明するためにも必要である。^{[ 3 ]}海王星の向こう側では、太陽系はカイパーベルト、散乱円盤、オールトの雲へと続いており、これらは観測されたほとんどの彗星の起源と考えられている、小さな氷の天体のまばらな集団である。太陽からの距離では、太陽星雲が散逸する前に惑星が形成されるには降着が遅すぎたため、初期の円盤は惑星にまとまるのに十分な質量密度を欠いていた。^{[ 67 ]} カイパーベルトは太陽から30～55 AUの間にあり、さらに遠くにある散乱円盤は100  AU以上に広がっており、^{[ 3 ]}遠くにあるオールトの雲は約50,000  AUから始まっている。^{[ 68 ]}しかし、元々はカイパーベルトははるかに密度が高く、太陽に近く、外縁は約30  AUにあった。その内縁は天王星と海王星の軌道のすぐ外側にあっただろうが、天王星と海王星は形成時には太陽にずっと近かった（おそらく15～ 20AUの範囲）。そしてシミュレーションの50%では、天王星が海王星よりも太陽から遠いという反対の位置になった。^{[ 69 ] [ 2 ] [ 3 ]}

ニースモデルによれば、太陽系の形成後、すべての巨大惑星の軌道は、残存する多数の微惑星との相互作用の影響を受けながら、ゆっくりと変化し続けました。5億〜6億 年後（約40 億年前）、木星と土星は2:1の共鳴状態になりました。つまり、土星は木星の2回の公転ごとに太陽の周りを1回公転しました。^{[ 3 ]}この共鳴により、外惑星に対して重力的な力が働き、おそらく海王星が天王星を追い越して古代のカイパーベルトに突入したと考えられます。^{[ 69 ]} 惑星は、自身は外側へ移動しながら、大部分の小さな氷の天体を内側へ散らしました。これらの微惑星は、次に遭遇した惑星から同様の方法で散らばり、惑星の軌道を外側へ移動させながら、自身は内側へ移動しました。^{[ 3 ]}この過程は微惑星が木星と相互作用するまで続き、木星の巨大な重力によって微惑星は極めて楕円形の軌道に転じたり、太陽系から完全に弾き出されたりしました。これにより木星はわずかに内側に移動しました。^{[ c ]}木星によって極めて楕円形の軌道に散乱された天体はオールトの雲を形成しました。 ^{[ 3 ]}移動する海王星によってより小さく散乱された天体は、現在のカイパーベルトと散乱円盤を形成しました。^{[ 3 ]}このシナリオは、カイパーベルトと散乱円盤の現在の低質量を説明しています。冥王星を含む散乱天体の一部は、海王星の軌道に重力的に結びつき、平均運動共鳴に陥りました。^{[ 70 ]}最終的に、微惑星円盤内の摩擦により、天王星と海王星の軌道は再びほぼ円形になりました。^{[ 3 ] [ 71 ]}

外惑星とは対照的に、内惑星は巨大衝突の時期以降、軌道が安定しているため、太陽系の年齢を通じて大きく移動したとは考えられていない。^{[ 39 ]}

もう一つの疑問は、なぜ火星が地球に比べてこんなに小さいのかということだ。テキサス州サンアントニオのサウスウエスト研究所が2011年6月6日に発表した研究（グランドタック仮説と呼ばれる）では、木星が1.5 天文単位まで内側に移動したとされている。土星が形成され、内側に移動し、木星と2:3の平均運動共鳴を確立した後、この研究では、両惑星が現在の位置に戻ったと仮定している。したがって、木星は、より大きな火星を形成するはずだった物質の大部分を消費したことになる。同じシミュレーションでは、乾燥した小惑星と彗星に似た水に富んだ天体など、現代の小惑星帯の特徴も再現されている。^{[ 72 ] [ 73 ]}しかし、太陽星雲の条件が木星と土星が現在の位置に戻ることを可能にしたかどうかは不明であり、現在の推定では、この可能性は低いと思われる。^{[ 74 ]}さらに、火星の質量が小さいことについては、別の説明も存在する。^{[ 75 ] [ 76 ] [ 77 ]}

外惑星の移動による重力の乱れにより、多数の小惑星が太陽系内側に送り込まれ、元の小惑星帯は大幅に減少し、今日の極めて低い質量に達したと考えられます。^{[ 59 ]}この出来事により、太陽系形成から5 億～6億年後の約40億年前に起こったと仮説されている後期重爆撃期が引き起こされた可能性があります。 ^{[ 2 ] [ 78 ]}しかし、最近の宇宙化学的制約の再評価では、爆撃率に後期の急増（「終末的大災害」）はなかった可能性が高いことが示されています。^{[ 79 ]} 

もしそれが起こったとすれば、この激しい爆撃期は数億年続き、月や水星など、地質学的に死んだ太陽系の天体に今も残るクレーターにそれが表れている。^{[ 2 ] [ 80 ]}地球上の生命の最も古い既知の証拠は38億年前のもので 、後期重爆撃期の終焉直後である。^{[ 81 ]}

衝突は、太陽系の進化において（現在は頻度は低いものの）定期的に起こる現象であると考えられている。衝突が現在も続いていることは、1994年のシューメーカー・レヴィ第9彗星と木星の衝突、 2009年の木星衝突、ツングースカ大爆発、チェリャビンスク隕石、アリゾナ州のメテオ・クレーターを形成した衝突によって証明されている。したがって、集積の過程は完了しておらず、地球上の生命にとって依然として脅威となる可能性がある。^{[ 82 ] [ 83 ]}

太陽系の進化の過程で、彗星は巨大惑星の重力によって太陽系内から弾き出され、数千AUも外側に送られてオールトの雲を形成しました。オールトの雲は、太陽の重力の最も遠い端にある球状の彗星核の群れです。やがて、約8億年後、銀河潮汐、通過する恒星、巨大分子雲によって引き起こされる重力の破壊により、雲が枯渇し始め、彗星が太陽系内へと送られました。^{[ 84 ]}太陽系外縁部の進化は、太陽風、微小隕石、星間物質の中性成分による宇宙風化の影響も受けているようです。^{[ 85 ]}

後期重爆撃期以降の小惑星帯の進化は、主に衝突によって支配されてきた。^{[ 86 ]}質量の大きい天体は、激しい衝突によって放出された物質を保持するのに十分な重力を持っている。小惑星帯では、通常そうではない。その結果、多くの大きな天体が分裂し、時には、それほど激しくない衝突で残骸から新しい天体が形成された。^{[ 86 ]}現在、一部の小惑星の周りの衛星は、親天体から投げ出された物質が、その重力から完全に逃れるのに十分なエネルギーを持たずに固まったものとしてしか説明できない。^{[ 87 ]}

太陽系は数百万年から数十億年の時間スケールで混沌としており、 ^{[ 102 ]}惑星の軌道は長期的な変動を受けやすい。この混沌の顕著な例の 1 つは、3:2軌道共鳴 にある海王星-冥王星系である。共鳴自体は安定しているものの、1000 万年から 2000万年 (リアプノフ時間) より先の冥王星の位置を正確に予測することは不可能になる。 ^{[ 103 ]}もう 1 つの例は地球の自転軸の傾きで、月との潮汐相互作用によって地球のマントル内で摩擦が増加するため (下記参照)、15 億年から 45 億年後のある時点から計算不可能になる。^{[ 104 ]}

外惑星の軌道は、200万～2億3000 万年のリャプノフ時間を持つ長い時間スケールではカオス的である。^{[ 105 ]} いずれの場合も、これは惑星の軌道上の位置が最終的に確実に予測できなくなることを意味する（したがって、たとえば、冬と夏のタイミングが不確実になる）。それでも、場合によっては、軌道自体が劇的に変化する可能性がある。このようなカオスは、離心率の変化として最も強く現れ、一部の惑星の軌道が著しく楕円形になったり、楕円形にならなくなったりする。^{[ 106 ]}

最終的に、太陽系は安定しており、今後数十億年の間に惑星同士が衝突したり、太陽系から弾き出されたりする可能性は低い。^{[ 105 ]}さらに、50 億年ほどで火星の軌道離心率が約0.2まで大きくなり、地球を横切る軌道に乗って衝突する可能性がある。同じ時間スケールで、水星の軌道離心率はさらに大きくなり、金星との接近遭遇によって理論的には太陽系から完全に弾き出されるか^{[ 102 ]} 、金星または地球との衝突コースに乗る可能性がある。 [ ^{107 ]水星の軌道が摂動される数値シミュレーションによると、これは}10億年以内に起こる可能性がある。^{[ 108 ]}

衛星系の進化は潮汐力によって促進されます。衛星は、主天体の直径方向の重力差によって、主天体に潮汐膨張を引き起こします。衛星が惑星の自転と同じ方向に公転し、惑星の自転速度が衛星の公転周期よりも速い場合、膨張は常に衛星よりも前方に引っ張られます。この状況では、主天体の自転から衛星の公転へと角運動量が伝達されます。衛星はエネルギーを得て徐々に外側へと螺旋状に移動する一方、主天体の自転速度は時間とともに遅くなります。

地球とその月は、この配置の一例です。現在、月は地球に潮汐固定されています。月が地球の周りを一周する周期（現在は約27.3日）は、月が自転する周期と等しいため、月は常に地球に同じ面を向けています。月は地球から遠ざかり続け、地球の自転速度は徐々に遅くなり続けます。その他の例としては、木星のガリレオ衛星（および木星の多くの小さな衛星）^{[ 109 ]} 、土星のほとんどの大きな衛星^{[ 110 ]}などがあります。

月が主星の周りを主星の自転よりも速く公転している場合、または惑星の自転とは逆方向に公転している場合は、別のシナリオが発生します。これらの場合、潮汐膨張は軌道上で月に遅れます。前者の場合、角運動量の伝達方向が逆になるため、主星の自転が加速する一方で衛星の軌道は縮小します。後者の場合、自転と公転の角運動量の符号が逆になるため、伝達によってそれぞれの大きさが減少します（互いに打ち消し合います）。^{[ d ]}どちらの場合も、潮汐減速により月は主星に向かって螺旋状に落下し、潮汐応力によって引き裂かれて惑星の環系が形成されるか、惑星の表面または大気に衝突します。火星の衛星フォボス （3000万年から 5000万年以内） ^{[ 111 ]} 、海王星のトリトン（280億年後）^{[ 112 ]} 、そして天王星と海王星の少なくとも16個の小さな衛星も、そのような運命をたどるだろう。天王星のデズデモナは、近隣の衛星の1つと衝突する可能性さえある。^{[ 113 ]}

3つ目の可能性は、主星と衛星が潮汐固定されている場合です。この場合、潮汐膨張部は衛星の真下に留まり、角運動量の伝達はなく、公転周期は変化しません。冥王星とカロンはこの種の配置の例です。^{[ 114 ]}

土星の環の形成メカニズムについてはコンセンサスが得られていない。理論モデルでは環は太陽系の歴史の初期に形成された可能性が高いとされているが^{[ 115 ]} 、カッシーニ・ホイヘンス探査機のデータは環が比較的後になって形成されたことを示唆している^{[ 116 ] 。}

ガスと塵が凝集して原始惑星系円盤が形成され、太陽系が誕生した。この物質の大部分は、過去の超新星爆発に由来する。

長期的には、太陽系で最も大きな変化は、太陽自体が老化するにつれて起こる変化から生じるでしょう。太陽は水素燃料を燃焼し尽くすと、温度が上昇し、残りの燃料をさらに速く燃焼します。その結果、太陽は11 億年ごとに10%の割合で明るさを増しています。^{[ 117 ]}約6億年後には、太陽の明るさによって地球の炭素循環が乱され、樹木や森林（C3光合成植物）はもはや生き残ることができなくなります。そして約8億年後には、太陽は地球の表面と海洋のすべての複雑な生命を死滅させるでしょう。11億年後には、太陽の放射出力の増加により、恒星のハビタブルゾーンが外側に移動し、地球の表面は液体の水が自然に存在できないほど高温になります。この時点で、すべての生命は単細胞生物に縮小します。^{[ 118 ]}強力な温室効果ガスである水の蒸発が海洋表面から起こると、気温上昇が加速し、地球上のすべての生命がさらに早く終焉を迎える可能性がある。^{[ 119 ]}この間、火星の表面温度が徐々に上昇するにつれて、現在表面レゴリスの下に凍結している二酸化炭素と水が大気中に放出され、温室効果が生じて惑星が現在の地球と類似した状態になるまで加熱され、将来生命の潜在的な住処となる可能性がある。^{[ 120 ]}今から35 億年後には、地球の表面状態は現在の金星の状態に似ているだろう。^{[ 117 ]}

今から約 54 億年後、太陽の中心部は周囲の殻で水素核融合を引き起こすほど高温になります。^{[ 118 ]}これにより、恒星の外層が大きく膨張し、恒星は赤色巨星と呼ばれる段階に入ります。^{[ 121 ] [ 122 ]} 75 億年以内に、太陽は半径1.2 AU (180 × 10 ^ ⁶ km; 110 × 10 ^ ⁶ mi)まで膨張し、現在のサイズの 256 倍になります。赤色巨星の先端では、表面積が大幅に増加した結果、太陽の表面は現在よりもはるかに低温 (約2,600 K (2,330 °C; 4,220 °F) ) になり、光度は現在の太陽光度の2,700 倍まで高くなります。太陽は赤色巨星としての寿命の一部において、その質量の約33%を吹き飛ばす強い恒星風を持つだろう。 ^{[ 118 ] [ 123 ] [ 124 ]}この時期には、太陽系のハビタブルゾーンは49.4 AUから71.4 AUの範囲に拡大し、カイパーベルトの奥深くまで達するだろう。^{[ 118 ]}       

太陽が膨張すると、水星と金星は飲み込まれるだろう。^{[ 125 ]}地球の運命はそれほど明確ではない。太陽は地球の現在の軌道を包み込むが、恒星の質量の減少（したがって重力の弱化）により、惑星の軌道はさらに外側へ移動するだろう。^{[ 118 ]}これだけであれば、金星と地球はおそらく焼き尽くされることを免れるだろう。^{[ 123 ]} 2008年の研究では、地球は太陽の弱く結合した外層との潮汐相互作用の結果として、おそらくゆっくりと蒸発するだろうと示唆されているが^{[ 118 ]}、2026年の最近の研究では、地球は飲み込まれても生き残る可能性が高いと示唆されている。^{[ 126 ]}

さらに、太陽のハビタブルゾーンは太陽系の外縁部に移動し、最終的には赤色巨星段階の終わりにカイパーベルトの外側まで達し、エンケラドゥスや冥王星のような氷の天体を融解させるでしょう。この間、これらの天体は水に基づく水循環を維持できる可能性がありますが、地球のような濃密な大気を保持するには小さすぎるため、昼夜の温度差が極端になります。太陽が赤色巨星分枝を離れて漸近巨星分枝に入ると、ハビタブルゾーンは木星と土星の現在の軌道の間の空間に急激に縮小しますが、 漸近巨星段階の2億年の期間の終わりに近づくと、以前とほぼ同じ距離まで外側に拡大します。^{[ 127 ]}

太陽核の周囲の殻で水素が燃焼することで、徐々に核の質量が増加し、現在の太陽質量の約45%に達します。この時点で、密度と温度が非常に高くなり、ヘリウムが炭素に核融合し始め、ヘリウムフラッシュが発生します。太陽は 現在の（主系列）半径の約250倍から11倍に縮小します。その結果、光度は現在の約3,000倍から54倍に低下し、表面温度は約4,770 K（4,500 °C、8,130 °F）に上昇します。太陽は水平巨星となり、現在水素を燃焼しているのと同様に、核でヘリウムを安定的に燃焼します。ヘリウム核融合段階はわずか1億年しか続きません。最終的には、太陽は再び外層の水素とヘリウムの貯蔵に頼らざるを得なくなります。太陽は二度目の膨張を起こし、漸近巨星と呼ばれる状態になる。この段階では太陽の光度は再び増加し、現在の光度の約 2,090 倍に達し、温度は約3,500 K (3,230 °C; 5,840 °F)まで低下する。^{[ 118 ]}この段階は約 3,000万年続き、その後さらに 10 万年かけて太陽の残りの外層が剥がれ落ち、膨大な量の物質が宇宙空間に放出され、惑星状星雲として知られる (誤解を招く表現だが) ハローが形成される。放出された物質には太陽の核反応によって生成されたヘリウムと炭素が含まれており、将来の世代の星や惑星のために星間物質を重元素で濃縮し続ける。^{[ 128 ]}         

これは比較的穏やかな出来事であり、太陽は進化の過程で超新星爆発を起こすには小さすぎるため、超新星爆発のようなものではありません。この出来事を目撃する観測者は、太陽風の速度が大幅に増加するのを目にするでしょうが、惑星を完全に破壊するほどではありません。しかし、恒星の質量の喪失により、生き残った惑星の軌道が混乱し、衝突するもの、太陽系から弾き飛ばされるもの、潮汐力によって引き裂かれるものなどが生じる可能性があります。^{[ 129 ]}その後、太陽に残るのは白色矮星、つまり元の質量の54%を占める非常に密度の高い天体で、大きさは地球程度です。当初、この白色矮星は 現在の太陽の100倍の明るさを持つ可能性があります。白色矮星は完全に縮退した炭素と酸素で構成されますが、これらの元素を融合させるほど高温になることはありません。そのため、白色矮星となった太陽は徐々に冷え、ますます暗くなっていきます。^{[ 130 ]}

太陽が死を迎えると、質量の減少により、惑星、彗星、小惑星などの軌道上の天体に対する重力が弱まります。残っている惑星の軌道はすべて拡大します。金星、地球、火星がまだ存在する場合、それぞれの軌道はおよそ1.4 AU (2億1000万km ; 1億3000万mi )、1.9 AU (2億8000万km ; 1億8000万mi )、2.8 AU (4億2000万km ; 2億6000万mi )になります。これらの惑星と他の残りの惑星は、暗く、凍てつく殻となり、生命は完全に消滅します。^{[ 123 ]}太陽からの距離が大きくなり、太陽の重力が弱まるため、速度は遅くなりますが、恒星の周りを公転し続けます。 20億年後、太陽が6,000～8,000 K（5,730～7,730 °C、10,340～13,940 °F）の範囲まで冷えると、太陽の中心部の炭素と酸素が凍結し、残りの質量の90%以上が結晶構造をとるようになる。^{[ 131 ]}最終的に、およそ1,000兆年後、太陽は完全に輝きを失って黒色矮星となる。^{[ 132 ]}                    

宇宙の銀河の大部分は天の川銀河から遠ざかっているが、局所銀河群最大のアンドロメダ銀河は 秒速約120kmで天の川銀河に向かっている。^{[ 136 ]} 40億年後 、アンドロメダ銀河と天の川銀河は衝突し、潮汐力によって両銀河の外腕が巨大な潮汐尾に変形し、両銀河とも変形する。この最初の破壊が起こると、太陽系が天の川銀河の潮汐尾に引き込まれる確率は12%、アンドロメダ銀河に重力で束縛されてその銀河の一部になる確率は3%と天文学者は計算している。^{[ 136 ]}さらに一連のかすめるような衝突が続き、その間に太陽系が放出される可能性は30%に上昇し、^{[ 137 ]}両銀河の超大質量ブラックホールが合体する。最終的に、およそ 60 億年後、天の川銀河とアンドロメダ銀河は合体して巨大な楕円銀河になります。合体中、十分なガスがあれば、重力の増加によりガスは形成中の楕円銀河の中心に押し寄せられます。これにより、スターバーストと呼ばれる短期間の激しい星形成が起こる可能性があります。^{[ 136 ]}さらに、落下するガスは新たに形成されたブラックホールに供給され、ブラックホールは活動銀河核に変化します。これらの相互作用の力により、太陽系は新しい銀河の外側のハローに押し込まれ、これらの衝突による放射線の影響を比較的受けずに済みます。^{[ 136 ] [ 137 ]}

この衝突によって太陽系の惑星の軌道が乱れるというのはよくある誤解である。確かに、通過する恒星の重力によって惑星が星間空間に引き離される可能性はあるが、恒星間の距離は非常に大きいため、天の川銀河とアンドロメダ銀河の衝突によって個々の恒星系にそのような乱れが生じる可能性はごくわずかである。太陽系全体がこれらの出来事の影響を受ける可能性はあるものの、太陽や惑星が乱されるとは予想されていない。^{[ 138 ]}

しかし、時間の経過とともに、恒星との偶然の遭遇の累積確率は増加し、惑星の破壊はほぼ避けられなくなります。宇宙の終焉のビッグクランチやビッグリップの シナリオが起こらないと仮定すると、計算によると、通過する恒星の重力によって、死んだ太陽から残りの惑星が1京（10¹⁵ ^）年以内に完全に剥ぎ取られることになります。この時点で太陽系の終焉となります。太陽と惑星は生き残るかもしれませんが、太陽系は、いかなる意味においても存在しなくなります。^{[ 4 ]}

注：この年表に記載されている日付と時刻はすべて概算であり、あくまで目安としてお考えください。